生物質(zhì)復(fù)合包裝板材的制備及性能

范呂慧，衛(wèi)靈君，史云青，劉雨卉，孫昊,3，王海建，錢傲冉

（1.江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122；2.江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214000；3.清華蘇州環(huán)境創(chuàng)新研究院，江蘇 蘇州 215000；4.昆山新昆生物能源熱電有限公司，江蘇蘇州 215000）

目前，我國(guó)的用材林蓄積量?jī)H為55.1 億m3，每年會(huì)消耗近5 億m3的木材，木材對(duì)外依賴度達(dá)到了50%左右。由此可見(jiàn)，不僅需要加大人力、物力種植人工林，還需研究生產(chǎn)更多種類和功能的板材，以緩解目前的林木資源危機(jī)。近年來(lái)，科學(xué)界一直致力于研究采用成本低廉的替代原料制備板材，如生物質(zhì)纖維類材料[1-7]和固廢材料[8-14]等。

Dyna 等[1]研究了以玉米渣為原料，采用純化的硫酸鹽木質(zhì)素合成纖維板，所生產(chǎn)的纖維板具有良好的力學(xué)性能和耐水性。Garcia-Garcia 等[2]采用一種海草和生物基環(huán)氧樹脂熱壓制備纖維板，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)堿處理和硅烷化處理后纖維板的力學(xué)性能得到顯著提高。這些生物質(zhì)纖維材料不能直接用于板材，需采用蒸煮、改性、提純等前處理手段，工藝較復(fù)雜且材料的強(qiáng)度不高。

固廢材料的來(lái)源廣泛，常見(jiàn)的有廢紙、廢木屑、粉煤灰、污水廠污泥等。采用固廢材料制備板材，既循環(huán)利用了廢棄資源，又大幅降低了板材的成本，減少了木資源的消耗。陳瑞建等[8]采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于20%的廢紙片與木材刨花混合制備了木/紙復(fù)合刨花板，其性能滿足家具型刨花板要求。Dukarska 等[9]使用廢棄牛皮紙漿代替刨花板中的木片，發(fā)現(xiàn)采用紙漿（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%）替代木片制備的防潮復(fù)合板符合EN312 要求。馬舒慧等[10]采用楊木粉和聚乙烯制備木塑復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)經(jīng)硅烷處理的木粉使得材料的性能得到有效改善。Chithambaram 等[13]研究發(fā)現(xiàn)，采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的粉煤灰替代砂漿的竹基水泥板具有較大的延展性，這與常規(guī)砂漿相同。Gohatre 等[14]研究發(fā)現(xiàn)，添加粉煤灰后再生聚氯乙烯復(fù)合板的強(qiáng)度增大，熱性能也得到改善。廢紙與木屑是常見(jiàn)的人造板替代性原料，粉煤灰具有良好的膠凝活性和較小的粒度[15]，常用于建筑材料和人造板（如水泥、混凝土和塑料復(fù)合板材的填料），它具有良好的保溫性能和阻燃性能。由于粉煤灰由燃煤制成，成本較高，且煤炭屬于不可再生資源，因此其來(lái)源受到限制。

生物質(zhì)灰是生物質(zhì)燃料燃燒后產(chǎn)生的，可根據(jù)生物質(zhì)的種類分為木質(zhì)類生物質(zhì)灰（木屑、樹皮針葉等）、草本類生物質(zhì)灰（稻草、麥秸等）、水生類生物質(zhì)灰（水葫蘆等水生植物）、動(dòng)物類生物質(zhì)灰（動(dòng)物糞便等）、工業(yè)類生物質(zhì)灰（紙張、污泥、廢橡膠等）等[16-17]。生物質(zhì)灰的主要成分為SiO2、Al2O3、CaO 等無(wú)機(jī)物[18]，它是一種廉價(jià)易得的固廢材料，在道路、水土處理、陶瓷、催化劑、混凝土和水泥等領(lǐng)域的應(yīng)用較廣泛[19]。目前，以生物質(zhì)灰、廢紙纖維和廢木屑為增強(qiáng)填料制備生物質(zhì)復(fù)合板材的研究在國(guó)內(nèi)鮮有報(bào)道。文中以污泥燃燒產(chǎn)生的生物質(zhì)灰、廢紙纖維和廢棄木屑為主要原料，利用熱壓成型技術(shù)制備生物質(zhì)復(fù)合包裝板材，探討原料配方、膠黏劑種類和熱壓溫度對(duì)復(fù)合板材的結(jié)構(gòu)和性能的影響規(guī)律，以期為廢棄纖維和生物質(zhì)灰的資源化利用提供新的研究思路。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料與儀器

主要材料：廢紙，常州誠(chéng)鑫環(huán)?？萍加邢薰?；廢棄木屑，粒度＜0.85 mm，江蘇泰來(lái)包裝工程有限公司；生物質(zhì)灰，有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14.24%，粒度＜100 μm，新昆生物能源熱電有限公司；馬鈴薯淀粉，分析純AR，廊坊康普匯維科技有限公司；苯丙乳液，固體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%，東莞市創(chuàng)緯膠黏劑科技有限公司；酚醛樹脂，固體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥70%，河南鉑潤(rùn)鑄造材料有限公司；環(huán)氧樹脂，黏度為22 Pa·s，浙江奉隆環(huán)?？萍加邢薰?；丙酮，分析純AR，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 預(yù)處理

1）纖維浸泡處理。將廢紙撕成小片，置于清水中浸泡12 h 以上，使用破壁機(jī)將廢紙破碎成短纖維，取干凈紗布濾水后備用。

2）膠黏劑預(yù)處理。分別稱取一定量的環(huán)氧樹脂和酚醛樹脂，加入約100 mL 丙酮使其充分溶解。稱取一定量的馬鈴薯淀粉，配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的淀粉溶液，于95 ℃水浴鍋中水浴攪拌加熱20 min，將糊化后的淀粉與苯丙乳液混合，以提高其黏性。

3）生物質(zhì)灰預(yù)處理。為了使生物質(zhì)灰充分接觸膠黏劑溶液，提高生物質(zhì)灰的吸附性，將生物質(zhì)灰與膠黏劑溶液混合，并在轉(zhuǎn)速200 r/min 下攪拌3 min。

1.3 復(fù)合材料的制備

1）將紙纖維分成小塊，稱取一定量的木屑。

2）將紙纖維、木屑和生物質(zhì)灰膠黏劑混合液依次混合，為了使紙纖維充分分散，防止水分過(guò)多造成原料的流失，加入約350 mL 水，隨后在轉(zhuǎn)速200 r/min下攪拌20 min，使各原料充分混合。

3）組裝模具。設(shè)置預(yù)定的熱壓溫度、時(shí)間和壓力進(jìn)行加熱。

基于在短時(shí)間內(nèi)“云動(dòng)雪不變”的假設(shè)，即云層在不斷運(yùn)動(dòng)，觀測(cè)值隨時(shí)間變化，而積雪相對(duì)固定，一段時(shí)間內(nèi)不會(huì)變化.選取一定時(shí)間段內(nèi)同一區(qū)域的多幅高分四號(hào)全色圖像，采用以上方式提取具有高反射值的云雪覆蓋區(qū).按照短時(shí)間內(nèi)“云動(dòng)雪不變”的思想，同一處位置的像元在每個(gè)時(shí)相影像中均被檢測(cè)出是云雪，則會(huì)被進(jìn)一步確認(rèn)為是不變的積雪像元，否則就認(rèn)為是由于運(yùn)動(dòng)云層造成的亮像元而予以去除.通過(guò)對(duì)多時(shí)相高分四號(hào)衛(wèi)星云雪監(jiān)測(cè)范圍進(jìn)行累計(jì)合成運(yùn)算，能盡可能消除移動(dòng)云層的影響，將各個(gè)時(shí)相上均被識(shí)別為雪的區(qū)域作為積雪覆蓋范圍.

4）將混合料平鋪在模具底部，對(duì)物料進(jìn)行排水定型操作，隨后按照設(shè)定的熱壓工藝進(jìn)行熱壓。

5）熱壓完成后拆解模具，取出試樣，將熱壓完成后的試樣轉(zhuǎn)移至烘箱中烘干。

6）將烘干完成后的試樣進(jìn)行編號(hào)，并將試樣在重物下平壓密封，以待測(cè)試。

具體的制備流程見(jiàn)圖1。

1.4 測(cè)試與表征

1）元素組成分析。將生物質(zhì)灰置于105 ℃烘箱中烘至絕干，再研磨，直至過(guò)100 目篩，然后置于X射線熒光光譜儀測(cè)試臺(tái)上進(jìn)行檢測(cè)。

2）晶體結(jié)構(gòu)分析。將生物質(zhì)灰研磨過(guò)100 目篩后備用，取少許無(wú)水乙醇將XRD 樣品臺(tái)擦拭干凈，取適量樣品平鋪于樣品臺(tái)上進(jìn)行制樣，完成后置于衍射儀中，設(shè)置步長(zhǎng)為0.2 s/步，衍射角度為10°～90°，進(jìn)行X 射線衍射測(cè)試。

3）熱穩(wěn)定性分析。稱取3～10 mg 生物質(zhì)灰和生物質(zhì)復(fù)合板材的絕干樣品，并置于氮?dú)鈿夥罩?，將溫度設(shè)置為25～800 ℃，升溫速率為20 ℃/min，進(jìn)行TG-DSC測(cè)定。

4）微觀形貌觀察。取少量生物質(zhì)灰和生物質(zhì)復(fù)合板材的絕干樣品，通過(guò)導(dǎo)電膠將其黏附在SEM 樣品臺(tái)上，采用真空離子濺射設(shè)備對(duì)樣品表面進(jìn)行噴金，并置于SEM 交換室中。選擇不同放大倍率和轉(zhuǎn)換角度對(duì)樣品進(jìn)行拍攝。

5）抗壓強(qiáng)度測(cè)試。參考《木材順紋抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法》（GB/T 1935—2009）[20]，設(shè)置萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的加載速度為12 mm/min，保持均勻的速度對(duì)試樣施加壓力，直至試樣被破壞，以測(cè)試試樣的抗壓強(qiáng)度。性能測(cè)試結(jié)果參考《框架木箱》（GB/T 7284—2016）[21]進(jìn)行板材性能評(píng)價(jià)。

6）抗彎強(qiáng)度測(cè)試。參考《木材抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)方法》(GB/T 1936.1—2009)[22]，將試樣放在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)中進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，設(shè)置加載速度為12 mm/min，在試樣的中央保持勻速施加載荷，直至試樣被破壞，然后測(cè)試試樣的抗彎強(qiáng)度。參考《框架木箱》（GB/T 7284—2016）進(jìn)行板材的性能評(píng)價(jià)。

7）彈性模量測(cè)試。參考《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》(GB/T 17657—2013)[23]，根據(jù)前后2 次測(cè)得的試樣變形值和上下限載荷之差，確定試樣的三點(diǎn)彎曲抗彎彈性模量。

8）吸水厚度膨脹率測(cè)試。參考《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》(GB/T 17657—2013)，將試樣浸泡在（20±1）℃水槽中，浸泡時(shí)間為24 h±5 min，測(cè)量浸泡前后試樣的吸水厚度膨脹率。

2 結(jié)果與討論

2.1 生物質(zhì)灰特性分析

采用XRF、XRD 和SEM 對(duì)生物質(zhì)灰進(jìn)行成分檢測(cè)和微觀形貌觀察，其元素組成見(jiàn)表1，物相組成見(jiàn)圖2，微觀形貌見(jiàn)圖3。

由表1 和圖2 可知，生物質(zhì)灰的主要元素為Si、Fe、Al、Ca，還有少許S、P、K、Mg 等微量元素，主要成分為氧化硅、氧化鋁、氧化鐵等其他金屬氧化物，以及一些硫酸鹽等鹽類物質(zhì)。由圖3 可知，生物質(zhì)灰的表面為多孔結(jié)構(gòu)，其表面易吸附一些微小顆粒。常用的建筑板材原材料（如粉煤灰）表面存在的Si-OH 基對(duì)纖維有很強(qiáng)的親和力，其礦物纖維能夠與植物纖維交織[24]，具有Al、Si 等活性位，能與吸附質(zhì)發(fā)生化學(xué)吸附。生物質(zhì)灰與粉煤灰的成分相似，在微觀上都具有多孔結(jié)構(gòu)。由此可見(jiàn)，將生物質(zhì)灰與廢紙纖維、木屑混合制備復(fù)合材料具有一定的可行性。

圖3 生物質(zhì)灰的微觀形貌Fig.3 Microscopic morphology of biomass ash

表1 生物質(zhì)灰的元素組成Tab.1 Element of biomass ash

2.2 紙纖維和木屑的添加量對(duì)復(fù)合板材性能的影響

采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的生物質(zhì)灰，膠黏劑為淀粉（質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%）和苯丙乳液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)7%）。為了防止因溫度過(guò)高，從而破壞糊化淀粉中的氫鍵，影響淀粉的作用效果，將熱壓工藝參數(shù)固定為120 ℃、4 MPa、40 min。研究了紙纖維和木屑的添加量對(duì)材料性能的影響規(guī)律，材料的力學(xué)性能見(jiàn)圖4，吸水厚度膨脹率見(jiàn)圖5。

圖4 不同紙纖維和木屑質(zhì)量比制備的生物質(zhì)復(fù)合板材的力學(xué)性能Fig.4 Mechanical properties of biomass composite board prepared with different paper fiber and sawdust mass ratios

圖5 不同紙纖維與木屑質(zhì)量比制備的生物質(zhì)復(fù)合板材的吸水厚度膨脹率Fig.5 Water absorption thickness swelling ratio of biomass composite board prepared with different additions of paper fiber and sawdust

由圖4 可知，材料的抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度隨著紙纖維添加量的增加而增加，材料的彈性模量則先隨紙纖維添加量的增加而快速增加，當(dāng)木屑/紙纖維的質(zhì)量比達(dá)到20/40 后則緩慢下降。紙纖維里含有大量的長(zhǎng)纖維，它們會(huì)與木屑纖維通過(guò)氫鍵、范德華力和機(jī)械交叉等方式結(jié)合[25]，形成材料的網(wǎng)狀基體，為生物質(zhì)灰提供吸附空間。在助劑的作用下，生物質(zhì)灰可以均勻地附著在纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中[26]，從而提升材料的勻度[27]和力學(xué)性能。由圖5 可知，不同紙纖維木屑含量的吸水厚度膨脹率為5%～8%。纖維越多，與水分子形成的氫鍵也越多，就越容易吸水膨脹，因此吸水厚度膨脹率隨著紙纖維添加量的增加而增加。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的紙纖維與60%的紙纖維相比，材料的抗彎強(qiáng)度和彈性模量相差不大，吸水厚度膨脹率更低。從成本角度考慮，廢紙的成本為木屑成本的50 倍左右，添加部分比例的木屑可以在保證強(qiáng)度的同時(shí)降低材料的成本。由此，原材料的配方選擇紙纖維和木屑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為40%和20%，生物質(zhì)灰的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%。由于實(shí)驗(yàn)中苯丙乳液在排水過(guò)程中較易流失，不易留著在纖維的表面，材料的強(qiáng)度不高，因此需要探究更優(yōu)的膠黏劑種類，以提升材料的性能。

2.3 膠黏劑種類對(duì)復(fù)合板材性能的影響

基于上一組研究方案，在紙纖維和木屑添加量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為40%和20%，生物質(zhì)灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)，保持熱壓工藝不變（120 ℃、4 MPa、40 min），選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的淀粉+質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%的苯丙乳液、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的酚醛樹脂和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的環(huán)氧樹脂作為膠黏劑，研究膠黏劑種類對(duì)復(fù)合板材性能的影響規(guī)律，材料的力學(xué)性能見(jiàn)圖6，吸水厚度膨脹率見(jiàn)圖7。

圖6 不同種類膠黏劑制備的生物質(zhì)復(fù)合板材的力學(xué)性能Fig.6 Mechanical properties of biomass composite board prepared with different kinds of adhesives

圖7 不同種類膠黏劑制備的生物質(zhì)復(fù)合板材的吸水厚度膨脹率Fig.7 Water absorption thickness swelling ratio of biomass composite board prepared with different kinds of adhesives

由圖6 可知，3 種膠黏劑制備復(fù)合板材的抗彎強(qiáng)度以環(huán)氧樹脂的最高，酚醛樹脂的次之，淀粉/苯丙乳液的最低；從抗壓強(qiáng)度來(lái)看，酚醛樹脂＞環(huán)氧樹脂＞淀粉/苯丙乳液；從彈性模量來(lái)看，環(huán)氧樹脂＞酚醛樹脂＞淀粉/苯丙乳液。酚醛樹脂和環(huán)氧樹脂的抗壓性能均達(dá)到了國(guó)標(biāo)對(duì)于框架木箱的要求（木材的許用抗壓強(qiáng)度需達(dá)到7 MPa），而環(huán)氧樹脂的抗彎強(qiáng)度和彈性模量均高于酚醛樹脂的抗彎強(qiáng)度，從強(qiáng)度性能來(lái)看，環(huán)氧樹脂的增強(qiáng)效果相對(duì)最好。由圖7 可知，3 種膠黏劑制備的復(fù)合板材的吸水厚度膨脹率均在10%以下，環(huán)氧樹脂相對(duì)最高，其次是酚醛樹脂，淀粉/苯丙乳液相對(duì)最低。環(huán)氧樹脂在被固化后為三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[28]，二氧化硅可以與環(huán)氧基質(zhì)界面交聯(lián)[29]。這種三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可以與更多的水分子形成氫鍵，故環(huán)氧樹脂的吸水厚度膨脹率比其他2 種膠黏劑的吸水厚度膨脹率高。生物質(zhì)灰含有較多的二氧化硅、氧化鋁等無(wú)機(jī)物，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松多孔，可以良好地與環(huán)氧樹脂基質(zhì)連接，從而表現(xiàn)出更高的力學(xué)性能。相較于其他2 種膠黏劑，環(huán)氧樹脂在增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度方面表現(xiàn)得更好，吸水厚度膨脹率也較低，故應(yīng)選擇環(huán)氧樹脂作為生物質(zhì)復(fù)合板材的膠黏劑?？紤]到添加環(huán)氧樹脂的復(fù)合板材接近國(guó)標(biāo)要求，因此在此基礎(chǔ)上研究溫度對(duì)復(fù)合板材性能的影響。

2.4 熱壓溫度對(duì)復(fù)合板材性能的影響

基于前2 組研究方案的紙纖維木屑配比和膠黏劑，在熱壓時(shí)間和壓力分別為20 min 和4 MPa 下，研究生物質(zhì)復(fù)合板材的熱壓溫度對(duì)材料性能的影響規(guī)律，材料的力學(xué)性能見(jiàn)圖8，吸水厚度膨脹率見(jiàn)圖9。

圖8 不同熱壓溫度制備的生物質(zhì)復(fù)合板材的力學(xué)性能Fig.8 Mechanical properties of biomass composite board prepared at different hot pressing temperature

圖9 不同熱壓溫度制備的生物質(zhì)復(fù)合板材的吸水厚度膨脹率Fig.9 Water absorption thickness swelling ratio of biomass composite board prepared at different hot pressing temperature

由圖8 可知，隨著熱壓溫度的增加，材料的抗壓強(qiáng)度提升較大。隨著溫度的提升，材料的抗彎強(qiáng)度逐漸增加，當(dāng)溫度高于150 ℃時(shí)，材料的抗彎強(qiáng)度變化不大。當(dāng)溫度升高時(shí)，復(fù)合板材的彈性模量快速增加，在溫度為180、210 ℃時(shí)，材料的彈性模量基本相同。由圖9 可知，在不同溫度下制備的板材的吸水厚度膨脹率在10%左右，溫度對(duì)吸水厚度膨脹率的影響不大。膠黏劑均為環(huán)氧樹脂的情況下，材料內(nèi)部的固化結(jié)構(gòu)基本一致，與水分子形成的氫鍵數(shù)目相差不大，故吸水厚度膨脹率變化不大。當(dāng)溫度較低時(shí)，膠黏劑環(huán)氧樹脂的固化效果不穩(wěn)定，不能形成穩(wěn)固的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，通過(guò)膠黏劑連接的纖維結(jié)合效果不理想。當(dāng)溫度高于150 ℃時(shí)，膠黏劑與纖維間的連接更加緊密，隨著熱壓溫度的提升，膠黏劑形成了穩(wěn)定的固化結(jié)構(gòu)，紙纖維和木屑中的木質(zhì)素軟化變黏，形成了木質(zhì)素-糠醛結(jié)構(gòu)[30]，它具有自黏性，起到了一定的膠黏劑作用，材料的強(qiáng)度也得到提升。通過(guò)對(duì)比可知，4 組實(shí)驗(yàn)的抗壓強(qiáng)度均大于7 MPa，180 ℃和210 ℃組的抗彎強(qiáng)度均大于11 MPa，滿足國(guó)標(biāo)要求（木材的許用抗壓強(qiáng)度為7 MPa，抗彎強(qiáng)度為11 MPa）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，180 ℃組具有更低的吸水性，且能耗更低，試樣的成本更低，因此選擇180 ℃為生物質(zhì)復(fù)合板材的熱壓溫度。

綜上所述，生物質(zhì)灰在制備代木包裝材料方面具有可行性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到了生物質(zhì)復(fù)合板材的最佳配方工藝（添加量均以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)）：紙纖維的添加量為40%，生物質(zhì)灰的添加量為30%，廢棄木屑的添加量20%，環(huán)氧樹脂的添加量為10%，熱壓溫度為180 ℃，熱壓壓力為4 MPa，熱壓時(shí)間為20 min，所制備材料的抗彎強(qiáng)度為11.2 MPa，抗壓強(qiáng)度為12.79 MPa。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果均進(jìn)行了重復(fù)驗(yàn)證，均達(dá)到了國(guó)標(biāo)規(guī)定的抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度要求。

2.5 材料的微觀形貌

生物質(zhì)復(fù)合板材的平面微觀形貌和截面微觀形貌SEM 圖見(jiàn)圖10。由圖10 可知，生物質(zhì)復(fù)合板材的平面為網(wǎng)狀分布，生物質(zhì)灰均勻地吸附在纖維表面。圖10b 為截面SEM 圖片，可以看出，生物質(zhì)復(fù)合板材的截面為層狀分布，其層間分布著大量的生物質(zhì)灰顆粒。從微觀形貌可以看出，少量生物質(zhì)灰顆粒直接吸附在纖維上，大量的生物質(zhì)灰分布在纖維空隙中。說(shuō)明生物質(zhì)灰可以通過(guò)自身的吸附特性直接吸附在纖維上，也可以在膠黏劑的作用下與纖維結(jié)合。采用生物質(zhì)灰與膠黏劑混合制備復(fù)合板材，增大了其纖維間的接觸面積，有效降低了材料的孔隙率，可以提升材料的性能，因此將生物質(zhì)灰用于制備生物質(zhì)復(fù)合板材可行。添加生物質(zhì)灰制備的板材在滿足國(guó)標(biāo)要求的前提下替代木材使用，不僅提升了生物質(zhì)灰的利用率，而且降低了成本，為廢棄資源創(chuàng)造了更高的價(jià)值。

圖10 生物質(zhì)復(fù)合板材的SEM 圖片F(xiàn)ig.10 SEM images of biomass composite board

2.6 材料的熱穩(wěn)定性分析

將普通木材與所制備的生物質(zhì)復(fù)合板材進(jìn)行對(duì)比，并進(jìn)行了TG-DSC 檢測(cè)。普通木材和生物質(zhì)復(fù)合板材的DTG 和DSC 曲線分別見(jiàn)圖11a—b。2 種材料的質(zhì)量損失均可以分為 2 個(gè)階段：第 1 個(gè)階段為30～150 ℃，DSC 吸熱峰值出現(xiàn)在100 ℃左右，為材料中游離水、吸附水的揮發(fā)和脫附[31]；第2 個(gè)階段為250～450 ℃，其中以300～400 ℃時(shí)質(zhì)量變化最為劇烈，吸熱峰值出現(xiàn)在370～380 ℃之間，這是由木材細(xì)胞壁組分纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的受熱分解所致[32]。

由圖11a 可知，在第2 個(gè)質(zhì)量損失階段，生物質(zhì)復(fù)合板材的分解溫度差為56.5 ℃，質(zhì)量損失率約為49.54%；普通木材的分解溫度差為96.8 ℃，質(zhì)量損失率約為64.32%。這說(shuō)明生物質(zhì)灰的添加使復(fù)合板材的分解時(shí)間變短、質(zhì)量損失更少。由圖11b 可知，在室溫到800 ℃內(nèi)，生物質(zhì)復(fù)合板材的吸熱峰面積比普通木材的吸熱峰面積小，生物質(zhì)復(fù)合板材在2 個(gè)質(zhì)量損失階段的吸熱峰值溫度分別為98.13、371.8 ℃；普通木材的2 個(gè)吸熱峰值溫度分別為105.2、382.4 ℃。復(fù)合板材峰值溫度的前移可能是因在熱壓條件下，復(fù)合板材內(nèi)部的半纖維素、纖維素部分分解，產(chǎn)生了易熱解的小分子糖類[33]。對(duì)比生物質(zhì)復(fù)合板材與普通木材的質(zhì)量變化可知，生物質(zhì)復(fù)合板材的質(zhì)量損失率約為57.65%，小于普通木材的質(zhì)量損失率（80.02%）。由此可見(jiàn)，生物質(zhì)灰的添加降低了復(fù)合板材的質(zhì)量損失率，提升了板材的熱穩(wěn)定性。

圖11 普通木材和生物質(zhì)復(fù)合板材的DTG 和DSC 曲線Fig.11 DTG and DSC curves of ordinary wood and biomass composite board

3 結(jié)語(yǔ)

生物質(zhì)灰主要由無(wú)機(jī)物組成，包括二氧化硅、氧化鋁、氧化鐵、氧化硅等物質(zhì)，與粉煤灰在組成成分和結(jié)構(gòu)上相似，因此將生物質(zhì)灰用于制備新型復(fù)合板材具有一定的可行性。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到了生物質(zhì)復(fù)合板材的最佳配方工藝（添加量均以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)）：紙纖維的添加量為40%，生物質(zhì)灰的添加量為30%，廢棄木屑的添加量為20%，環(huán)氧樹脂的添加量為10%，熱壓溫度為180 ℃，熱壓壓力和時(shí)間分別為4 MPa、20 min。所制備材料的抗彎強(qiáng)度為12.79 MPa，抗壓強(qiáng)度為11.2 MPa，達(dá)到了《框架木箱》（GB/T 7284—2016）中規(guī)定的抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度要求。

SEM 結(jié)果表明，生物質(zhì)復(fù)合板材平面為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，截面為層狀結(jié)構(gòu)，其層間分布著大量的生物質(zhì)灰顆粒，生物質(zhì)灰的添加有效降低了材料的孔隙率，因此將生物質(zhì)灰用于制備生物質(zhì)復(fù)合板材可行。TG-DSC 結(jié)果表明，添加了生物質(zhì)灰的復(fù)合板材比普通木材具有更好的熱穩(wěn)定性。